金屬波導(dǎo)陣列中表面等離子體的傳輸特性研究.pdf

1、隨著納米光子學(xué)的發(fā)展，納米金屬波導(dǎo)陣列引起了人們的極大地關(guān)注，納米金屬波導(dǎo)陣列中的表面等離子體可以實現(xiàn)亞波長衍射控制、亞波長聚焦、負折射、離散等離子體Talbot效應(yīng)和光分束等功能，為在納米尺度操控光提供了新的可能。在本論文中，我們將超模理論引入到納米結(jié)構(gòu)的金屬波導(dǎo)陣列里并研究了有限金屬波導(dǎo)陣列中的離散衍射、深亞波長聚焦和離散等離子體Talbot效應(yīng)。本文的主要研究工作如下：
　?。?）研究了有限金屬波導(dǎo)陣列中的離散衍射。已有的關(guān)

2、于金屬波導(dǎo)陣列離散衍射的研究都是針對無限個（或上百個）金屬波導(dǎo)所組成的陣列，而對于有限個金屬波導(dǎo)所組成的陣列，產(chǎn)生的離散衍射并沒有被深入研究。本文模擬了有限金屬波導(dǎo)陣列的場分布，發(fā)現(xiàn)當場傳輸?shù)讲▽?dǎo)陣列的上下波導(dǎo)邊界時，能量被反射回來，形成復(fù)雜的場分布圖案。為了解釋有限金屬波導(dǎo)陣列中的場分布，本文將超模理論引入到金屬波導(dǎo)陣列中的表面等離子體傳輸，用一種新的方法推出了相關(guān)的微擾常數(shù)和耦合常數(shù)，分別計算出了波導(dǎo)數(shù)目為N=3，N=4，N=5的金

3、屬波導(dǎo)陣列的傳輸常數(shù)和波函數(shù)。當輸入場從陣列的不同位置入射時，會形成不同的衍射場分布，因此還討論了對稱性入射和非對稱性入射的衍射情況，并用表面等離子體超模理論進行了理論分析，推出了陣列中的衍射場分布情況，給出了衍射場強度的最大值和最小值的精確位置。本文用時域有限差分法驗證了表面等離子體超模理論，數(shù)值模擬的結(jié)果與超模理論分析的結(jié)果相符，驗證了表面等離子體超模理論的正確性。
　?。?）在有限金屬波導(dǎo)陣列中提出一個新的遮蓋式的深亞波長聚

4、焦方案。其特點是：陣列的中間波導(dǎo)的入口被遮蓋而只有陣列兩邊的波導(dǎo)被打開。模擬結(jié)果表明，這種結(jié)構(gòu)可以使入射的平面波（波長為632.8nm）匯聚到陣列中的單個波導(dǎo)內(nèi)，形成焦點，焦點的半高全寬為54nm左右。為了說明這種遮蓋式金屬波導(dǎo)陣列聚焦的特點，本文也分析了同等條件下沒有遮蓋的金屬波導(dǎo)陣列的聚焦情況，發(fā)現(xiàn)沒有遮蓋時的半高全寬是150nm左右?？梢?，有遮蓋物的波導(dǎo)陣列產(chǎn)生的焦點比無遮蓋物的波導(dǎo)陣列產(chǎn)生的焦點要小得多。本文用表面等離子體的超模

5、理論成功解釋了這種聚焦行為，計算出了有限金屬波導(dǎo)陣列中超模的傳輸常數(shù)和場分布，當中間波導(dǎo)的入射端被遮蓋時，入射波僅僅激發(fā)了具有偶對稱性的超模，整個場是由這些對稱性的超模疊加形成的。超模理論預(yù)測的結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果相符。同時，本文討論了由遮蓋所引起的能量損失，發(fā)現(xiàn)中間波導(dǎo)的遮蓋對陣列焦點處的能量影響較小。這種中間被遮蓋的陣列結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于：把入射場聚焦到陣列中的單個波導(dǎo)內(nèi)，獲得的焦點比無遮蓋的陣列要小得多，在損失較小的能量的前提下，焦點

6、處的峰值更尖銳，焦點的大小只有入射波長的1/12，實現(xiàn)了深亞波長聚焦。
　?。?）在有限金屬波導(dǎo)陣列里成功實現(xiàn)了離散Talbot效應(yīng)。一直以來，產(chǎn)生離散Talbot效應(yīng)所需的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相當大：模擬計算時所用的波導(dǎo)個數(shù)為無窮多個，而在實驗中采用的波導(dǎo)個數(shù)也高達數(shù)百個。然而，如何在有限個波導(dǎo)數(shù)目組成的陣列里實現(xiàn)Talbot效應(yīng)，一直以來都沒有實現(xiàn)。本文通過分析有限金屬波導(dǎo)陣列里的表面等離子體超模的傳播常數(shù)和波函數(shù)得出了超模激發(fā)系數(shù)與輸入

7、場之間的定量關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，陣列中的各級超模不是被等量激發(fā)的，被激發(fā)的超模系數(shù)是由輸入場的強度分布決定。通過調(diào)節(jié)輸入場在各個波導(dǎo)內(nèi)的不同強度，來定量控制陣列中被激發(fā)超模的系數(shù)。有限金屬波導(dǎo)陣列中的場強分布可以認為是被激發(fā)的超模的疊加。根據(jù)表面等離子體的超模理論，在由13個波導(dǎo)組成的有限金屬波導(dǎo)陣列中，通過調(diào)節(jié)每個輸入場的不同強度，可以只激發(fā)第一級超模和最高級超模，這兩個超模疊加后在傳輸方向上形成離散Talbot效應(yīng)。用表面等離子體超模理

8、論還解釋了無限金屬波導(dǎo)陣列里的Talbot效應(yīng)。我們進一步驗證了在無限金屬波導(dǎo)陣列里輸入場的周期性條件，發(fā)現(xiàn)無限金屬波導(dǎo)陣列里的離散Talbot效應(yīng)與傳統(tǒng)的介質(zhì)波導(dǎo)陣列不同：在傳統(tǒng)的介質(zhì)波導(dǎo)陣列里輸入場的周期條件為P=1，2，3，4和6，而在無限金屬波導(dǎo)陣列中輸入場的周期條件為P=1，2，3，4和5。
　?。?）研究了有限金屬波導(dǎo)陣列里的表面等離子體超模的選擇性激發(fā)，建立了選擇性激發(fā)表面等離子體超模的理論方程，可以選擇激發(fā)金屬波導(dǎo)